Сила тяжести и закон всемирного тяготения. Ускорение свободного падения

Что связывает мяч и Луну

Отпущенный мяч падает на Землю. Луна движется вокруг Земли. Оба движения связаны с гравитационным притяжением: тела, обладающие массой, притягиваются друг к другу.

На уроке пройдём путь от общего закона притяжения к знакомому свободному падению:

массы и расстояние → сила тяготения → сила тяжести → ускорение свободного падения.

Главная задача — объяснить, почему Земля сильнее притягивает более массивное тело, но при свободном падении сообщает ему такое же ускорение.


Притяжение всегда взаимно

Земля притягивает мяч, а мяч притягивает Землю. Силы направлены навстречу друг другу вдоль линии, соединяющей центры тел.

По третьему закону Ньютона эти силы равны по модулю и противоположны по направлению. Они действуют на разные тела, поэтому не уравновешивают друг друга на мяче.

Ускорения могут сильно различаться: по второму закону Ньютона \(a=F/m\). При одинаковой силе гораздо более массивная Земля получает гораздо меньшее ускорение.


Закон всемирного тяготения

Для двух материальных точек модуль силы притяжения равен:

\[ F=G\frac{m_1m_2}{r^2}. \]

Здесь \(m_1\) и \(m_2\) — массы тел в килограммах, \(r\) — расстояние между ними в метрах. Сила получается в ньютонах.

Гравитационная постоянная одинакова для всех пар тел:

\[ G\approx6{,}67\cdot10^{-11}\ \frac{\text{Н}\cdot\text{м}^2}{\text{кг}^2}. \]

Её малое значение объясняет, почему притяжение обычных предметов друг к другу трудно заметить. Притяжение Земли существенно благодаря её огромной массе.


Как меняется сила

Сила прямо пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния.

Что изменили Как изменилась сила
Одну массу увеличили вдвое Увеличилась вдвое
Обе массы увеличили вдвое Увеличилась в четыре раза
Расстояние увеличили вдвое Уменьшилась в четыре раза
Расстояние уменьшили втрое Увеличилась в девять раз

В каждой строке остальные величины сохранены. Перед вычислением полезно предсказать результат: удаление тел ослабляет притяжение, увеличение массы усиливает его.


Где измерять расстояние

Формула непосредственно описывает материальные точки. Протяжённые тела можно считать точками, если их размеры малы по сравнению с расстоянием между ними.

Для неперекрывающихся тел со сферически симметричным распределением массы формула также верна: расстояние берут между центрами. Сферическая симметрия означает, что распределение массы одинаково во всех направлениях от центра.

В задачах Землю приближённо считают такой сферой. Для небольшого тела на высоте \(h\):

\[ r=R+h, \]

где \(R\) — радиус Земли. У поверхности \(h=0\), но \(r=R\).


Сила тяжести около Земли

В модели сферической Земли без учёта её вращения сила тяжести — сила притяжения тела к Земле. Она направлена к центру планеты; вблизи поверхности это направление называют вертикалью вниз.

Для тела массой \(m\) используем запись:

\[ F_{\text{тяж}}=mg. \]

Величина \(g\) — модуль ускорения свободного падения в данном месте. У поверхности Земли \(g\approx9{,}8\ \text{м/с}^2\); для приближённых расчётов часто берут \(10\ \text{м/с}^2\).

Сила тяжести действует и на падающий мяч, и на неподвижную книгу. У книги её уравновешивает реакция стола.


Почему ускорение не зависит от массы тела

Пусть действует только притяжение Земли. По второму закону Ньютона и закону тяготения:

\[ ma=G\frac{Mm}{r^2},\qquad a=\frac{GM}{r^2}=g. \]

Масса падающего тела \(m\) сокращается. Более массивное тело притягивается сильнее, но для того же ускорения ему нужна пропорционально большая сила.

Поэтому в одном месте все свободно падающие тела имеют одинаковое ускорение. Различие падения пера и шарика в воздухе связано с дополнительной силой сопротивления. При её существенном влиянии падение уже нельзя считать свободным.


Не путайте большую и маленькую буквы

Величина Физический смысл От чего зависит
\(G\) Гравитационная постоянная В законе Ньютона одинакова для всех тел
\(g\) Ускорение свободного падения От массы притягивающего тела и расстояния до его центра

Единицы различны: для \(G\) — \(\text{Н}\cdot\text{м}^2/\text{кг}^2\), для \(g\) — \(\text{м/с}^2\).

Из \(F_{\text{тяж}}=mg\) также следует \(g=F_{\text{тяж}}/m\). Поэтому \(g\) можно выражать в \(\text{Н/кг}\):

\[ 1\ \text{Н/кг}=1\ \text{м/с}^2. \]

Около другой планеты значение \(g\) может быть иным; значение \(G\) сохраняется.


Дополнение: высота

Пусть Земля сферически симметрична, её вращение и притяжение других небесных тел не учитываются. Для точки снаружи Земли:

\[ g(h)=\frac{GM}{(R+h)^2},\qquad g_0=\frac{GM}{R^2}. \]

Здесь \(g_0\) — ускорение у поверхности в той же модели. Сравнивая выражения, получаем:

\[ \frac{g(h)}{g_0}=\left(\frac{R}{R+h}\right)^2. \]

С высотой ускорение уменьшается. Если высота мала по сравнению с радиусом Земли, изменение невелико. Поэтому при падении с небольшой высоты \(g\) приближённо считают постоянным. Для глубин внутри Земли эту формулу не применяют.


Пример: сила тяжести

На книгу массой \(600\ \text{г}\) действует притяжение Земли. Найдём силу тяжести у поверхности, приняв \(g=9{,}8\ \text{м/с}^2\).

Переведём массу в СИ:

\[ m=600\ \text{г}=0{,}6\ \text{кг}. \]

Подставим в формулу:

\[ F_{\text{тяж}}=mg =0{,}6\ \text{кг}\cdot9{,}8\ \text{м/с}^2 =5{,}88\ \text{Н}. \]

Сила направлена вниз. Если книга лежит на столе, её ускорение равно нулю: стол действует вверх с такой же по модулю силой. Это не отменяет притяжения Земли.


Пример: притяжение двух шаров

Два шара со сферически симметричным распределением массы имеют массы \(100\ \text{кг}\) и \(200\ \text{кг}\). Их радиусы — по \(0{,}2\ \text{м}\), расстояние между центрами — \(2\ \text{м}\). Найдём силу их взаимного притяжения.

Шары не перекрываются; для расчёта используем расстояние между центрами:

\[ F=G\frac{m_1m_2}{r^2} =6{,}67\cdot10^{-11}\ \frac{\text{Н}\cdot\text{м}^2}{\text{кг}^2} \cdot\frac{100\ \text{кг}\cdot200\ \text{кг}}{(2\ \text{м})^2} \approx3{,}34\cdot10^{-7}\ \text{Н}. \]

Единицы массы и расстояния сокращаются, остаются ньютоны. Сила очень мала. Каждый шар притягивает другой с таким модулем силы; складывать эти силы для одного шара нельзя.


Почему спутник продолжает падать

Спутник притягивается к Земле и получает направленное к ней ускорение. При подходящей начальной скорости его траектория огибает планету: пока спутник падает, поверхность Земли «уходит» из-под него из-за её кривизны.

Если сопротивлением атмосферы и другими воздействиями можно пренебречь, такое движение является свободным падением, хотя траектория не вертикальна.

Притяжение само изменяет направление скорости спутника. Дополнительная особая «центростремительная сила» не нужна: центростремительной называют роль уже действующей силы тяготения при движении по окружности.


Три связи, которые нужно запомнить

Для двух материальных точек или неперекрывающихся сферически симметричных тел:

\[ F=G\frac{m_1m_2}{r^2}. \]

Для силы тяжести в данном месте:

\[ F_{\text{тяж}}=mg. \]

Для свободного падения снаружи сферической Земли без учёта её вращения:

\[ g=\frac{GM}{r^2},\qquad r=R+h. \]

Сила зависит от массы падающего тела, ускорение — нет. Перед подстановкой проверяйте модель, расстояние между центрами и единицы СИ.

Домашнее задание: §15–16.


Вопросы для самопроверки

  1. Почему силы притяжения мяча и Земли не уравновешивают друг друга на мяче?
  2. Чем различаются \(G\) и \(g\) по смыслу и единицам?
  3. Почему в законе тяготения для тела у поверхности Земли нельзя подставить нулевую высоту вместо расстояния?
  4. Как объяснить одинаковое ускорение свободного падения тел разной массы через второй закон Ньютона?
  5. Почему движущийся по орбите спутник можно считать свободно падающим телом?

Самостоятельная работа

  1. Найдите силу тяжести, действующую на рюкзак массой \(3{,}5\ \text{кг}\) у поверхности Земли. Примите \(g=10\ \text{м/с}^2\); укажите направление силы.
  2. Массу одного из двух притягивающихся тел увеличили втрое, а расстояние между ними — вдвое. Как изменилась сила? Считайте тела материальными точками.
  3. Два неперекрывающихся сферически симметричных шара массами по \(50\ \text{кг}\) находятся на расстоянии \(1\ \text{м}\) между центрами. Вычислите силу взаимного притяжения, используя приведённое выше значение \(G\).
  4. Дополнение. Тело находится на высоте \(h=2R\) над сферической Землёй. Выразите его ускорение свободного падения через \(g_0\). Вращением Земли и притяжением других тел пренебрегите.